城市入侵害蟲懸鈴木方翅網(wǎng)蝽對(duì)高溫脅迫的耐受性及其生理機(jī)制.pdf

1、外來昆蟲對(duì)逆境條件具有較強(qiáng)適應(yīng)性是其成功入侵的重要機(jī)制之一，因而成為當(dāng)前入侵生態(tài)學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。懸鈴木方翅網(wǎng)蝽(Corythucha ciliata(Say))原產(chǎn)北美溫帶地區(qū)，是新近入侵我國亞熱帶城市化地區(qū)并嚴(yán)重危害城市綠化重要的行道樹——懸鈴木(Platanus spp.)的外來害蟲。該害蟲在我國長江流域入侵過程中，常會(huì)受到夏季高溫的脅迫，但這一逆境條件并沒有對(duì)其種群擴(kuò)張和繁衍構(gòu)成限制。因此，本文提出假設(shè)——懸鈴木方翅網(wǎng)蝽對(duì)高溫具有較

2、好的適應(yīng)性。為驗(yàn)證該假設(shè)，本論文基于種群生態(tài)學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)、分子生態(tài)學(xué)等原理和方法，研究了恒溫下種群生長發(fā)育和繁殖能力情況，高溫脅迫下種群存活能力、繁殖能力和后代的適合度，以及高溫脅迫后蟲體耐熱物質(zhì)代謝變化等。其目的是揭示懸鈴木方翅網(wǎng)蝽從溫帶地區(qū)傳入亞熱帶地區(qū)后，對(duì)新入侵區(qū)內(nèi)夏季高溫是如何適應(yīng)的，從而為深入了解該蟲跨溫度帶快速入侵的可能機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而為其科學(xué)預(yù)警和防控提供理論參考。主要結(jié)果如下:
　　1、為了闡明懸鈴木方翅

3、網(wǎng)蝽在恒溫下的發(fā)育繁殖情況，利用二球懸鈴木(P.×acerifolia)葉片為食料，利用人工氣候箱進(jìn)行飼養(yǎng)試驗(yàn)，觀察了在相對(duì)濕度80％、光周期14L∶10D，不同恒溫條件(16、19、22、26、30、33和36℃)下該害蟲的生長發(fā)育速率和繁殖能力。結(jié)果表明:懸鈴木方翅網(wǎng)蝽不同蟲態(tài)的發(fā)育歷期均隨溫度的升高而降低，在19-33℃下，從卵到成蟲發(fā)育所需時(shí)間分別為47.6、35.0、24.1、20.0、17.1 d;在16和36℃下，其不能完

4、成全世代發(fā)育;該蟲從卵到成蟲的發(fā)育起點(diǎn)溫度為11.17℃，有效積溫為370.57日度。成蟲壽命在33℃下最短（雌蟲:17.7d，雄蟲:19.7 d），在16℃下最長(雌蟲:58.9 d，雄蟲:59.7d);在30℃下雌蟲產(chǎn)卵期最長(8.9 d)、單雌產(chǎn)卵量也最多(286.8粒)。種群趨勢(shì)指數(shù)在19℃下最低(24.9)，在30℃下最高(130.1)。因此，懸鈴木方翅網(wǎng)蝽種群發(fā)育和繁衍的最適宜溫度在30℃左右。
　　2、為了明確懸鈴木

5、方翅網(wǎng)蝽在高溫逆境下的生存狀況，利用人工氣候箱進(jìn)行了短時(shí)高溫脅迫試驗(yàn)，測(cè)定了不同高溫(35、37、39、41、43和45℃)和不同暴露時(shí)間（0.5、1、2、4、6和8 h）的交互作用下，該害蟲的卵、若蟲和成蟲的存活率，以及熱鍛煉(33、35、37、39、41℃下分別暴露1 h)對(duì)若蟲和成蟲在致死敏感高溫區(qū)(43℃暴露2 h)的存活率。結(jié)果表明:懸鈴木方翅網(wǎng)蝽在35-41℃范圍內(nèi)暴露0.5-2 h，卵、若蟲和成蟲的存活沒有受到明顯影響，存

6、活率均在80％以上;當(dāng)溫度上升到41℃以上時(shí)，隨著暴露時(shí)間的延長，卵、若蟲和成蟲的存活率呈現(xiàn)下降趨勢(shì);各蟲態(tài)半致死溫度(Ltemp50)隨高溫暴露時(shí)間的延長而下降;耐熱性順序表現(xiàn)為:卵＞成蟲＞若蟲;在成蟲不同性別間，雄蟲的耐熱性略強(qiáng)于雌蟲。在非致死高溫下鍛煉1h后，若蟲和雌雄成蟲在43℃下存活率顯著提高，37℃鍛煉1h對(duì)各蟲態(tài)耐熱性的鍛煉效果最佳。因此，懸鈴木方翅網(wǎng)蝽在低于41℃的高溫下具有較好的存活能力;高溫鍛煉能顯著提高其耐熱性。<

7、br>　　3、為了探明高溫脅迫對(duì)懸鈴木方翅網(wǎng)蝽成蟲繁殖能力和后代適合度的影響，利用人工氣候箱進(jìn)行短時(shí)高溫暴露試驗(yàn)，觀察了不同高溫脅迫處理(35、37、39、41、43和45℃下分別暴露2 h)后成蟲的生存、壽命和產(chǎn)卵量，F(xiàn)1代卵的孵化率、若蟲和成蟲的存活率和成蟲性比。結(jié)果表明:與正常溫度(26℃)相比，35-41℃高溫脅迫2h對(duì)成蟲壽命和產(chǎn)卵量沒有顯著影響，但顯著延長了雌蟲的產(chǎn)卵前期和產(chǎn)卵期。在溫和高溫脅迫(35-41℃，2 h)下，成

8、蟲隨日齡增加，存活曲線呈現(xiàn)Ⅱ型模式(存活率隨著日齡增加緩慢下降）;在激烈高溫脅迫(43-45℃，2 h)下，成蟲隨日齡增加，存活曲線演變?yōu)棰笮湍Ｊ剑ù婊盥室婚_始就突然下降）;母代成蟲經(jīng)過35-41℃、2h高溫脅迫后，F(xiàn)1代卵的孵化率和雌雄成蟲性比沒有發(fā)生顯著變化，但活動(dòng)期蟲態(tài)（卵-成蟲）存活率顯著下降。因此，低于41℃的短時(shí)高溫脅迫對(duì)懸鈴木方翅網(wǎng)蝽成蟲的繁殖能力和后代種群影響較小。
　　4、為了探討懸鈴木方翅網(wǎng)蝽在高溫脅迫下保持較

9、高存活率的生理生化機(jī)制，利用生理生化測(cè)定技術(shù)，測(cè)定了不同高溫脅迫條件下，成蟲實(shí)驗(yàn)種群(33、35、37、39、41和43℃下分別暴露2 h)和野外種群（夏季某天中8:00、10:00、12:00、14:00田間采集蟲源）體內(nèi)的多項(xiàng)生理指標(biāo)。結(jié)果表明:隨著環(huán)境溫度的升高，實(shí)驗(yàn)種群和野外種群成蟲體內(nèi)的絕對(duì)含水量顯著降低;而甘油三脂、總蛋白、甘露醇、山梨醇、丙二醛(MDA)、乳酸脫氫酶(LDH)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)、

10、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽(GR)等指標(biāo)顯著上升。因此，懸鈴木方翅網(wǎng)蝽實(shí)驗(yàn)種群之所以耐受低于41℃的高溫，與其體內(nèi)生理代謝系統(tǒng)的協(xié)同驅(qū)動(dòng)有密切關(guān)系;在自然界出現(xiàn)的高溫襲擊下，該害蟲這種系統(tǒng)代謝防御機(jī)制同樣存在。
　　5、為了進(jìn)一步從分子水平上探明懸鈴木方翅網(wǎng)蝽對(duì)抗高溫傷害的生理機(jī)制，以HSP70為代表，利用反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(RT-PCR)結(jié)合cDNA末端快速擴(kuò)增(RACE)技術(shù)，成功克隆了該害蟲的HSP70基因cDNA全長

11、;并進(jìn)一步構(gòu)建了熒光定量PCR體系，檢測(cè)了不同高溫脅迫條件下成蟲實(shí)驗(yàn)種群(33、35、37、39、41和43℃下分別暴露2 h)和野外種群（夏季1天中8:00、10:00、12:00、14:00田間采集蟲源）體內(nèi)HSP70基因相對(duì)表達(dá)量的變化。結(jié)果表明:懸鈴木方翅網(wǎng)蝽HSP70基因cDNA全長為2256 bp，其中，開放閱讀框?yàn)?917bp，編碼639個(gè)氨基酸，預(yù)測(cè)其分子式為C3085H4943N871O988S16，相對(duì)分子量為70.

12、55kD，等電點(diǎn)為5.45。該序列具有HSP70家族的典型特征和特殊的功能結(jié)構(gòu)域，并且與其他昆蟲的HSP70的同源性大于80％。將成蟲實(shí)驗(yàn)種群在37-41℃范圍內(nèi)熱激2h后，體內(nèi)HSP70的相對(duì)表達(dá)量隨溫度升高而顯著上升，41℃脅迫處理后的表達(dá)量是33℃處理后的2710倍;但當(dāng)溫度上升到43℃時(shí)，表達(dá)水平則迅速下降。在野外種群中，成蟲體內(nèi)HSP70的表達(dá)量隨自然界氣溫的上升而顯著升高，中午12:00與下午14:00時(shí)，成蟲體內(nèi)HSP70

13、的相對(duì)表達(dá)量分別比上午8:00時(shí)上升了226和771倍。因此，懸鈴木方翅網(wǎng)蝽成蟲在受到高溫脅迫時(shí)，HSP70會(huì)迅速表達(dá)，這一能力可避免或降低其在高溫下受到的熱傷害。
　　根據(jù)以上結(jié)果的綜合分析，本文認(rèn)為，懸鈴木方翅網(wǎng)蝽對(duì)目前我國亞熱帶城市化地區(qū)的夏季高溫具有較高的耐受性，該區(qū)域內(nèi)的高溫不能限制種群的存活和繁殖;其耐熱性的形成受蟲體內(nèi)水分的加速代謝、多羥基化合物和熱激蛋白的迅速合成、抗氧化保護(hù)系統(tǒng)的功能迅速增強(qiáng)等多種生理代謝有關(guān)，這